专家带你吃透 Flink 架构：一个新版 Connector 的实现
作者：刘泽善，腾讯CSIG专家工程师
前言
Flink 可以说已经是流计算领域的事实标准，其开源社区发展迅速，提出了很多改进计划（Flink Improvement Proposals，简称 FLIP [1]）并不断迭代，几乎每个新的版本在功能、性能和使用便捷性上都有所提高。Flink 提供了丰富的数据连接器（connecotr）来连接各种数据源，内置了 kafka [2]、jdbc [3]、hive [4]、hbase [5]、elasticsearch [6]、file system [7] 等常见的 connector，此外 Flink 还提供了灵活的机制方便开发者开发新的 connector。对于 source connector 的开发，有基于传统的 SourceFunction [8] 的方式和基于 Flink 改进计划 FLIP-27 [9] 的 Source [10] 新架构的方式。本文首先介绍基于 SourceFunction 方式的不足，接着介绍 Source 新架构以及其设计上的深层思考，然后基于 Flink 1.13 ，以从零开发一个简单的 FileSource connector 为例，介绍开发 source connector 的基本要素，尽量做到理论与实践相结合加深大家的理解。
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Source 旧架构
在 Flink 1.12 之前，开发一个 source connector 通过实现 SourceFunction [8] 接口来完成，官方给出的通用的实现模式如下。当 source 开始发送数据时，run 方法被调用，其参数 SourceContext 用于发送数据。run 方法是一个无限循环，通过一个标识 isRunning 来跳出循环结束 source。批模式和流模式通常需要不同的处理逻辑，例如示例的批模式通过一个计数器来结束批数据。此外，还需要通过 checkpoint 锁来保证状态更新和数据发送的原子性。值得一提的是，Flink 在 SourceFunction 之上抽象出了 InputFormatSourceFunction，开发者只需要实现 InputFormat，批模式 source connector（如 HBase）通常基于 InputFormat 实现，当然 InputFormat 也可以用于流模式，在一定程度上体现了批流融合的思想，但整体上来看至少在接口层面上流批并没有完全一致。
public class ExampleCountSource implements SourceFunction<Long>, CheckpointedFunction {private long count = 0L;private volatile boolean isRunning = true;private transient ListState<Long> checkpointedCount;public void run(SourceContext<T> ctx) {while (isRunning && count < 1000) {// this synchronized block ensures that state checkpointing,// internal state updates and emission of elements are an atomic operationsynchronized (ctx.getCheckpointLock()) {ctx.collect(count);count++;}}}public void cancel() {isRunning = false;}public void initializeState(FunctionInitializationContext context) {this.checkpointedCount = context.getOperatorStateStore().getListState(new ListStateDescriptor<>("count", Long.class));if (context.isRestored()) {for (Long count : this.checkpointedCount.get()) {this.count += count;}}}public void snapshotState(FunctionSnapshotContext context) {this.checkpointedCount.clear();this.checkpointedCount.add(count);}}
在基于 SourceFunction 的开发模式下，以 Kafka Source 为例，见下图，FlinkKafkaConsumer 为 SourceFunction 的实现类，该类中集中了 kafka partition 发现逻辑（KafkaPartitionDiscoverer）、数据读取逻辑（KafkaFetcher）、基于阻塞队列实现的生产者消费者模型（KafkaConsumerThread -> Handover -> SourceContext）等等。
我们可以发现，这种开发模式存在如下不足：
首先对于批模式和流模式需要不同的处理逻辑，不符合批流融合的业界趋势。
数据分片（例如 kafka partition、file source 的文件 split）和实际数据读取逻辑混合在 SourceFunction 中，导致复杂的实现。
数据分片在接口中并不明确，这使得很难以独立于 source 的方式实现某些功能，例如事件时间对齐（event-time alignment）、分区 watermarks（per-partition watermarks）、动态数据分片分配、工作窃取（work stealing）。
没有更好的方式来优化 Checkpoint 锁，在锁争用下，一些线程（例如 checkpoint 线程）可能无法获得锁。
没有通用的构建模式，每个源都需要实现自行实现复杂的线程模型，这使得开发和测试一个新的 source 变得困难，也提高了开发者对现有 source 的作出贡献的门槛。
有鉴于此，Flink 社区提出了 FLIP-27 [9] 的改进计划，并在 Flink 1.12 实现了基础框架，在 Flink 1.13 中 kafka、hive 和 file source 已移植到新架构，开源社区的 Flink CDC connector 2.0 [11] 也基于新架构实现。
Source 新架构
基于 FLIP-27 的 Source 新架构如上图所示，由两个主要部件组成：SplitEnumerator 和 SourceReader。SplitEnumerator 负责数据分片和分配，SourceReader 则负责具体分片数据的读取。当一个新的分片被 SplitEnumerator 添加到 SourceReader，首先初始化分片状态并放入状态哈希表中，然后分片被分配给 SplitReader 读取数据。读取的数据以小批量模式封装于 RecordsWithSplitIds 并放置于中间队列 Queue，这种批量数据模式可以提高性能。SourceReader 从 Queue 中获取一批数据，遍历每一条数据，并查找数据相应的分片状态，数据和分片状态一并传递给 RecordEmitter，RecordEmitter 先把数据传递给 SourceOutput，然后更新分片状态。状态哈希表中的状态在 checkpoint 时持久化到状态存储。
Source 新架构具有以下特点。
数据分片与数据读取分离。例如在 FileSource 中，SplitEnumerator 负责列出所有的文件，并有可能把文件按块或者范围进行切分，SourceReader 则负责具体的文件/块的数据读取。又例如在 KafkaSource 中，SplitEnumerator 负责发现需要读取的 kafka partition，SourceReader 则负责具体 partition 数据的读取。
批流融合。基于新架构开发的 Source 既可以工作于批模式也可以工作于流模式，批仅仅是有界的流。大多数情况下，只有 SplitEnumerator 需要感知数据源是否有界。例如对于 FileSource，批模式下 SplitEnumerator 只需要一次性的列出目录下的所有文件，流模式下则需要周期性的列出所有文件，并为新增的文件生成数据分片。对于 KafkaSource，批模式下 SplitEnumerator 列出所有的 partition，并把每个 partition 的当前最新的数据偏移作为数据分片的结束点，流模式下 SplitEnumerator 则把无穷大作为 partition 数据分片的结束点，即会持续的读取每个 partition 的新增数据，流模式下还可以周期性的监测 partition 的变化并为新增的 partitition 生成数据分片。
双向通信。SplitEnumerator 运行在 JobManager，SourceReader 运行在 TaskManager，SplitEnumerator 和 SourceReader 之间可以双向通信，SourceReader 可以主动向 SplitEnumerator 请求数据分片实现 pull 模式的数据分片分配（例如 FileSource），SplitEnumerator 也可以把数据分片直接分配给 SourceReader 实现 push 模式的分配（例如 KafkaSource）。此外，根据需要还可以定制化一些消息实现 SplitEnumerator 和 SourceReader 之间的交互需求。基于双向通信的能力，比较容易实现事件时间对齐（event-time alignment）的功能，实现数据分片之间事件时间的均衡推进。
通用线程模型。考虑到外部数据源系统的客户端 API 调用方式的差异（阻塞、非阻塞、异步），SourceReader 在设计上支持单分片串行读取、多分片多路复用、多分片多线程三种模式。Flink 1.13 内核的 SingleThreadMultiplexSourceReaderBase/SingleThreadFetcherManager 抽象出的框架支持前两种线程模型，开发者基于此开发 source connector 变得容易。例如 FileSource 采用了单分片串行读取模式，在一个数据分片读取后，再向 SplitEnumerator 请求新的数据分片。KafkaSource 采用了多分片多路复用模式，SplitEnumerator 把启动时读取的 partition 列表和定期监测时发现的新的 partition 列表批量分配给 SourceReader，SourceReader 使用 KafkaConsumer API 读取所有分配到的 partition 的数据。
容错。SplitEnumerator 和 SourceReader 通过 Flink 的分布式快照机制持久化状态，发生异常时从状态恢复。通常 SplitEnumerator 状态保存了未分配的数据分片，SourceReader 状态保存了分配的数据分片以及分片读取状态（例如 kafka offset，文件 offset）。例如流模式下 FileSource 的 SplitEnumerator 状态保存了未分配的分片以及处理过的文件列表，并定期监测文件列表的变化，为新增文件生成数据分片；SourceReader 状态保存了当前读取的分片信息和文件读取 offset。
FileSource 开发实践
下面我们进入实际操作阶段，基于新架构开一个简单的 FileSource connector，该 connector 工作于流模式，读取指定目录下的文件，并定期监测新增文件。
初始化项目
我们使用 IntelliJ IDEA 作为开发工具，并按照 Flink 编码规范配置 IntelliJ IDEA [12]，在菜单栏选择 "File -> New -> Project..."，填写必要的信息，按照提示操作完成项目创建。
在 pom.xml [13] 文件添加必要的 Flink 依赖。
Flink 基于 Java SPI 机制l发现和加载自定义 connector，我们在 resources 目录下创建目录
META-INF/services，并在该目录下创建文件org.apache.flink.table.factories.Factory，文件内容为：
com.tencent.cloud.oceanus.connector.file.table.FileDynamicTableFactory创建 Java 类
com.tencent.cloud.oceanus.connector.file.table.FileDynamicTableFactory实现DynamicTableSourceFactory。现在，我们项目初始化已经完成，可以在 IntelliJ IDEA 项目右侧选择 "Maven -> flink-connector-files -> LifeCyle -> package" 构建项目，能够在 target 目录下正确构建出名为 flink-connector-files-1.0.0.jar 的二进制包。
Connector 开发
我们按照 Flink 官方的自定义 connector 开发文档 [14] 来一步步完成 FileSource connector 的开发。
Metadata 层
简单起见，我们的 connector 只支持按行读取指定目录的文件，在 SQL 语句中按如下方式使用 connector。
CREATE TABLE test (`line` STRING) WITH ('connector' = 'file','path' = 'file:///path/to/files');
Planning 层
创建类 FileDynamicTableFactory [15]，添加自定义 connector 标识
file和参数path。校验参数并创建 FileDynamicSource [16]。FileDynamicSource [16] 创建 Runtime 层的 FileSource [17]。
Runtime 层
FileSource [17]
实现 Source [10] 接口，需要三个类型参数：第一类型参数为 Source 输出数据类型，由于我们的 connector 用于 SQL 作业场景，这里设置为 RowData 类型。第二个类型参数为数据分片类型 SourceSplit [18]。第三个类型参数为 SplitEnumerator checkpoint 数据类型。
FileSource 是一个工厂类，用于创建 SplitEnumerator、SourceReader、数据分片序列化器、SplitEnumerator checkpoint 序列化器。
FileSourceSplit [19]
实现 SourceSplit [18]。该类保存了数据分片 id、文件路径、数据分片起始位置的文件偏移（我们这里整个文件作为一个数据分片，不再细分，因此偏移始终为 0）、文件长度、文件读取进度（恢复时从该位置继续数据读取）。
FileSourceSplitSerializer [20]
数据分片序列化器，对 FileSourceSplit [19] 序列化和反序列化。数据分片在从 SplitEnumerator 传输到 SourceReader，以及被 SourceReader checkpoint 持久化时都需要序列化。
PendingSplitsCheckpoint [21]
SplitEnumerator checkpoint 数据，保存了未分配的分片以及处理过的文件列表。
PendingSplitsCheckpointSerializer [22]
SplitEnumerator checkpoint 序列化器，对 PendingSplitsCheckpoint [21] 序列化和反序列化。
FileSourceEnumerator [23]
定期监测目录下的文件，生成数据分片，并分配给 SourceReader。Flink 内核提供了定时回调接口
SplitEnumeratorContext#callAsync [24] 方便我们使用。这里我们采用 pull 模式的数据分片分配策略。
FileSourceReader [25]
继承自 SingleThreadMultiplexSourceReaderBase，在读取完一个数据分片（文件）后再向 FileSourceEnumerator [23] 请求下一个分片。我们需要实现数据分片状态初始化接口 initializedState [26]，当新的数据分片加入时会调用该接口。实现接口 toSplitType [27]，把可变的数据分片状态 FileSourceSplitState [28] 转换为不可变的数据分片 FileSourceSplit [19]，checkpoint 时会调用该接口得到最新状态的 FileSourceSplit 并持久化。FileSourceRecordEmitter [29] 发送数据到下游，并更新 FileSourceSplitState 的分片读取进度。具体分片数据读取逻辑在 FileSourceSplitReader [30] 实现，这里我们简单的每次读取一行数据。
Connector 测试
基本功能
1.从 Flink 官网下载已经编译好的二进制包 Apache Flink 1.13.3 for Scala 2.11 [31] 并解压，进入解压后的目录。拷贝我们开发的 connector 二进制包 flink-connector-files-1.0.0.jar [32] 到 lib 目录。
tar -zxvf flink-1.13.3-bin-scala_2.11.tgzcd flink-1.13.3cp flink-connector-files-1.0.0.jar lib/ -avi
2.启动本地集群。可在本地浏览器里打开 http://localhost:8081 进入 Flink UI 验证集群是否启动成功。
./bin/start-cluster.sh3.创建测试数据目录，我们的 connector 从该目录下读取文件。然后进入 sql client 命令行。
mkdir -p /tmp/file-connector./bin/sql-client.sh
4.在 sql client 命令行输入。
create table `source` (`line` STRING) with ('connector' = 'file','path' = '/tmp/file-connector');select * from `source`;
5.我们往目录 /tmp/file-connector 写入几个文件测试一下，可见我们的 connector 能正常的读取文件数据。
cd /tmp/file-connectorecho "Hello World" > 1.txtecho "tencent" > 2.txtecho "oceanus" > 3.txtecho "我爱我的祖国" > 4.txt
状态和容错
1.在 Flink 配置 conf/flink-conf.yaml 添加状态存储配置，设置 checkpoint 和 savepoint 目录，checkpoint 时间间隔，以及 Flink 重启策略。
state.backend: filesystemstate.checkpoints.dir: file:///tmp/flink-checkpointsstate.savepoints.dir: file:///tmp/flink-savepointsexecution.checkpointing.interval: 30srestart-strategy: fixed-delayrestart-strategy.fixed-delay.attempts: 30restart-strategy.fixed-delay.delay: 5s
2.重启集群，并重新进入 sql client 命令行。
./bin/stop-cluster.sh./bin/start-cluster.sh./bin/sql-client.sh
3.重新提交作业。
create table `source` (`line` STRING) with ('connector' = 'file','path' = '/tmp/file-connector');select * from `source`;
4.这次我们准备一个大的数据文件 bigfile.txt，例如有上千万行，拷贝文件到目录 /tmp/file-connector 。
5.在浏览器输入 http://localhost:8081 进入 Flink UI 界面，点击 'Running Jobs'，可看到我们正在运行的作业，点击作业进入作业详情，选择 Checkpoints 标签页，然后选择 History 的子标签页，点击右侧的 Refresh 按钮。
6.在观察到一次成功的 checkpoint 之后，我们重启 taskmanager。
./bin/taskmanager.sh stop./bin/taskmanager.sh start
7.稍等一会儿，我们可在 Flink UI 里观察到作业从 checkpoint 恢复的信息。
8.同时我们在 taskmanager 日志里可观察到作业恢复时的数据分片信息包含 checkpoint 时保存的文件读取 offset 信息。
FileSource 开发实践总结
作为流计算领域的事实标准，Flink 有着优秀的架构设计，其强大的可扩展能力让我们开发一个自定义 connector 变得简单。Flink 社区的文档也非常丰富和详细，这里我们按照 Flink 自定义 connector 开发文档，基于 FLIP-27 的 Source 新架构开发了一个简单 FileSource connector，并演示了其基本功能和错误恢复功能。我们在开发新的 connector 时可以多参考社区已有 connector 的设计和开发模式，甚至可以对现有 connector 进行功能增强来满足需求。我们这里的 FileSource connector 就是参考内核的 filesystem connector [7]，进行了简化以方便大家理解。内核的 filesystem connector 不支持同一个文件的增量数据读取，如果我们实际业务场景一定需要这种能力，我们可以给 filesystem connector 添加该功能并贡献到社区。
总结
本文首先介绍了 Flink Source Connector 开发时基于传统的 SourceFunction 方式的不足，接着介绍了 FLIP-27 的 Source 新架构特点及其优势，然后基于新架构从零开发了一个简单的 FileSource connector，介绍开发 source connector 的基本要素。最后，欢迎大家猛击（ 1元秒杀）体验流计算 Oceanus，免费学习 Flink。
参考链接
[1] Flink Improvement Proposals：https://cwiki.apache.org/confluence/display/FLINK/Flink+Improvement+Proposals
[2] kafka：https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-master/docs/connectors/table/kafka/
[3] jdbc：https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-master/docs/connectors/table/jdbc/
[4] hive：https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-master/docs/connectors/table/hive/overview/
[5] hbase：https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-master/docs/connectors/table/hbase/
[6] elasticsearch：https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-master/docs/connectors/table/elasticsearch/
[7] file system：https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-master/docs/connectors/table/filesystem/
[8] SourceFunction：https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-master/api/java/org/apache/flink/streaming/api/functions/source/SourceFunction.html
[9] FLIP-27：https://cwiki.apache.org/confluence/display/FLINK/FLIP-27%3A+Refactor+Source+Interface
[10] Source：https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-master/api/java/org/apache/flink/api/connector/source/Source.html
[11] Flink CDC connector 2.0：https://ververica.github.io/flink-cdc-connectors/master/
[12] 配置 IntelliJ IDEA：https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-master/docs/flinkdev/ide_setup/#intellij-idea
[13] pom.xml：https://github.com/lzshlzsh/tflink-playgrounds/blob/master/flink-connector-files/pom.xml
[14] 自定义 connector 开发：https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-master/docs/dev/table/sourcessinks/
[15] FileDynamicTableFactory：https://github.com/lzshlzsh/tflink-playgrounds/blob/master/flink-connector-files/src/main/java/com/tencent/cloud/oceanus/connector/file/table/FileDynamicTableFactory.java
[16] FileDynamicSource：https://github.com/lzshlzsh/tflink-playgrounds/blob/master/flink-connector-files/src/main/java/com/tencent/cloud/oceanus/connector/file/table/FileDynamicSource.java
[17] FileSource：https://github.com/lzshlzsh/tflink-playgrounds/blob/master/flink-connector-files/src/main/java/com/tencent/cloud/oceanus/connector/file/source/FileSource.java
[18] SourceSplit：https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-master/api/java/org/apache/flink/api/connector/source/SourceSplit.html
[19] FileSourceSplit：https://github.com/lzshlzsh/tflink-playgrounds/blob/master/flink-connector-files/src/main/java/com/tencent/cloud/oceanus/connector/file/split/FileSourceSplit.java
[20] FileSourceSplitSerializer：https://github.com/lzshlzsh/tflink-playgrounds/blob/master/flink-connector-files/src/main/java/com/tencent/cloud/oceanus/connector/file/split/FileSourceSplitSerializer.java
[21] PendingSplitsCheckpoint：https://github.com/lzshlzsh/tflink-playgrounds/blob/master/flink-connector-files/src/main/java/com/tencent/cloud/oceanus/connector/file/enumerator/PendingSplitsCheckpoint.java
[22] PendingSplitsCheckpointSerializer：https://github.com/lzshlzsh/tflink-playgrounds/blob/master/flink-connector-files/src/main/java/com/tencent/cloud/oceanus/connector/file/enumerator/PendingSplitsCheckpointSerializer.java
[23] FileSourceEnumerator：https://github.com/lzshlzsh/tflink-playgrounds/blob/master/flink-connector-files/src/main/java/com/tencent/cloud/oceanus/connector/file/enumerator/FileSourceEnumerator.java
[24] SplitEnumeratorContext#callAsync：https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-master/api/java/org/apache/flink/api/connector/source/SplitEnumeratorContext.html#callAsync-java.util.concurrent.Callable-java.util.function.BiConsumer-long-long-
[25] FileSourceReader：https://github.com/lzshlzsh/tflink-playgrounds/blob/master/flink-connector-files/src/main/java/com/tencent/cloud/oceanus/connector/file/reader/FileSourceReader.java
[26] initializedState：https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-master/api/java/org/apache/flink/connector/base/source/reader/SourceReaderBase.html#initializedState-SplitT-
[27] toSplitType：https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-master/api/java/org/apache/flink/connector/base/source/reader/SourceReaderBase.html#toSplitType-java.lang.String-SplitStateT-
[28] FileSourceSplitState：https://github.com/lzshlzsh/tflink-playgrounds/blob/master/flink-connector-files/src/main/java/com/tencent/cloud/oceanus/connector/file/reader/FileSourceSplitState.java
[29] FileSourceRecordEmitter：https://github.com/lzshlzsh/tflink-playgrounds/blob/master/flink-connector-files/src/main/java/com/tencent/cloud/oceanus/connector/file/reader/FileSourceRecordEmitter.java
[30] FileSourceSplitReader：https://github.com/lzshlzsh/tflink-playgrounds/blob/master/flink-connector-files/src/main/java/com/tencent/cloud/oceanus/connector/file/reader/FileSourceSplitReader.java
[31] Apache Flink 1.13.3 for Scala 2.11：https://www.apache.org/dyn/closer.lua/flink/flink-1.13.3/flink-1.13.3-bin-scala_2.11.tgz
[32] flink-connector-files-1.0.0.jar：https://github.com/lzshlzsh/tflink-playgrounds/releases/download/v0.1.0/flink-connector-files-1.0.0.jar